Đề tài Thiết kế, chế tạo và điều khiển cánh tay robot 3 bậc tự do

LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu khoa học này này là công trình nghiên cứu của chúng tôi. Các kết quả nghiên cứu do chủ nhiệm đề tài và những người tham gia thực hiện. Chúng tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong đề tài này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Chúng tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Hải Phòng, ngày 17 tháng 01 năm 2013 Chủ nhiệm đề tài Ngô Quang Vĩ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích RBCN Robot công nghiệp TĐH Tự động hóa MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ............................................................................................. 1 CHƢƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHÂN LOẠI ROBOT ....................................................... 3 1.1. Các khái niệm cơ bản ......................................................................... 3 1.1.1. Robot và Robotics ................................................................................ 3 1.1.2. Robot công nghiệp (RBCN) ................................................................ 5 1.2. Cấu trúc cơ bản của RBCN ............................................................... 6 1.2.1. Kết cấu chung ...................................................................................... 6 1.2.2. Kết cấu của tay máy ............................................................................ 8 1.3. Phân loại robot ................................................................................. 11 1.3.1. Phân loại theo kết cấu ...................................................................... 11 1.3.2. Phân loại theo điều khiển ................................................................. 11 1.3.3. Phân loại theo ứng dụng .................................................................. 12 1.4. Bài toán thuận của động học tay máy ............................................ 13 1.4.1. Mô tả quy tắc Denavit-Hartenberg ................................................... 15 1.4.2. Một số ví dụ áp dụng quy tắc Denavit-Hartenberg ......................... 18 1.4.3. Vùng hoạt động của phần công tác ................................................. 20 1.5. Bài toán ngƣợc của động học tay máy ............................................ 22 1.5.1. Cơ cấu 3 khâu phẳng ........................................................................ 23 1.5.2. Cơ cấu cầu ......................................................................................... 24 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BA BẬC TỰ DO ......................... 26 2.1. Xây dựng phần cơ khí của robot .................................................... 26 2.1.1. Cấu tạo của cánh tay robot ............................................................... 26 2.1.2. Cấu tạo của tay kẹp ........................................................................... 29 2.1.3. Truyền động khí nén ......................................................................... 29 2.1.4. Truyền động điện cơ ......................................................................... 30 2.2. Bộ điều khiển cho cánh tay robot ba bậc tự do ............................. 31 2.2.1. Mở đầu ............................................................................................... 31 2.2.2. Mạch điều khiển ................................................................................ 32 2.2.3. Sử dụng phần mềm LabVIEW để viết giao diện điều khiển ........... 38 2.3. Hoạt động của cánh tay robot ......................................................... 48 2.3.1. Chế độ bằng tay ................................................................................. 49 2.3.2. Chế độ tự động .................................................................................. 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 54 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngành công nghiệp robot trên thế giới đã đưa được sản phẩm là robot công nghiệp để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóc con người. Với ngành công nghiệp của Việt Nam thì robot chưa được xuất hiện nhiều trong các dây truyền sản xuất. Vì sản phẩm này còn quá đắt đối với thị trường Việt Nam. Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot, tôi chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo và điều khiển cánh tay robot 3 bậc tự do”. Đề tài này hướng tới có thể thay thế các bộ điều khiển của các công ty nước ngoài và xây dựng thuật điều khiển tối ưu cho các đối tượng sản xuất, mà các đối tượng này thích hợp với điều kiện sản xuất ở nước ta. Với các phòng thí nghiệm, đây là một mô hình để sinh viên thực nghiệm và nghiên cứu, để hướng tới cho các bạn sinh viên một cái nhìn cụ thể, thực tiễn hơn về robot. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Mục đích của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và các phương pháp điều khiển thích hợp trên cơ sở ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến và xây dựng những giải pháp phần cứng cũng như phần mềm để chế tạo bộ điều khiển cánh tay robot ba bậc tự do. Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, có thể áp dụng vào phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại học cũng như ứng dụng trong sản xuất công nghiệp. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là phương trình động học của robot để đưa ra thuật điều khiển tối ưu cho robot; phần mềm LabVIEW, CodeVisionAVR để điều khiển cánh tay robot ba bậc tự do và phần cơ khí để chế tạo cánh tay robot. Nghiên cứu này chỉ giới hạn trong phạm vi nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển cánh tay robot ba bậc tự do với các phần mềm điều khiển nêu trên. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn về chế tạo, điều khiển robot. 2 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: - Nghiên cứu về phương trình động học ngược của robot; - Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm LabVIEW, CodeVisionAVR để điều khiển cánh tay robot ba bậc tự do; - Nghiên cứu và ứng dụng các phần gia công cơ khí để chế tạo cánh tay robot. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài này nghiên cứu cụ thể về điều khiển vị trí dùng thuật toán điều khiển PID. Sử dụng phần mềm LabVIEW để điều khiển cánh tay. Kết hợp với bộ điều khiển nhỏ gọn và giao tiếp thành công với robot. Đề tài có thể sử dụng làm mô hình thí nghiệm cũng như sử dụng cho một khâu hay giai đoạn nào đó của sản xuất. 3 Chƣơng 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHÂN LOẠI ROBOT 1.1. Các khái niệm cơ bản 1.1.1. Robot và Robotics Từ thời cổ xưa, con người đã mong muốn tạo ra những vật giống như mình để bắt chúng phục vụ cho bản thân mình. Ví dụ, trong kho thần thoại Hy Lạp có chuyện người khổng lồ Promethe đúc ra con người từ đất sét và truyền cho họ sự sống, hoặc chuyện tên nô lệ Talus khổng lồ được làm bằng đồng và được giao nhiệm vụ bảo vệ hoang đảo Crete. Đến năm 1921, từ "Robot" xuất hiện lần đầu trong vở kịch "Rossum's Universal Robots" của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek. Trong vở kịch này, ông dùng từ "Robot", biến thể của từ gốc Slavơ "Rabota", để gọi một thiết bị - lao công do con người (nhân vật Rossum) tạo ra. Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Positron, do chính con người lập trình. Asimov cũng đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản: 1. Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người. 2. Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra. Các quy tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất. 3. Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai nguyên tắc trước. Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot. Từ sự hư cấu của khoa học viễn tưởng, robot dần dần được giới kỹ thuật hình dung như những chiếc máy đặc biệt, được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính mình, dùng để thay thế mình trong một số công việc xác định. Để hoàn thành nhiệm vụ đó, robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người. 4 Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí, gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí. Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến. Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh "Hành vi" của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Robotics được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học, kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh [3,tr.8]. Từ hiểu biết sơ bộ về chức năng và kết cấu của robot, chúng ta hiểu, Robotics là một khoa học liên ngành, gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của ngành cơ - điện tử (Mechatronics). Khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học - kỹ thuật của việc sản sinh ra robot thống nhất ở một điểm: thực hiện hoài bão của con người, là tạo ra thiết bị thay thế mình trong những hoạt động không thích hợp với mình, như: - Các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà,... - Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: như ngoài khoảng không vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao,... - Những việc đòi hỏi độ chính xác cao, như thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch,... Lĩnh vực ứng dựng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm. Ngày nay, khái niệm về robot đã mở rộng hơn khái niệm nguyên thuỷ rất nhiều. Sự phỏng 5 tác về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người là cần thiết nhưng không còn ngự trị trong kỹ thuật robot nữa. Kết cấu của nhiều "con" robot khác xa với kết cấu các bộ phận của cơ thể người và chúng cũng có thể thực hiện được những việc vượt xa khả năng của con người. 1.1.2. Robot công nghiệp (RBCN) Mặc dù, như định nghĩa chung về robot đã nêu, không có gì giới hạn phạm vi ứng dụng của robot, nhưng có một thực tế là hầu hết robot hiện đang có đều được dùng trong công nghiệp. Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được thống nhất hoá, thương mại hoá rộng rãi. Lớp robot này được gọi là Robot công nghiệp (Industrial Robot - IR) . Kỹ thuật tự động hoá (TĐH) trong công nghiệp đã đạt tới trình độ rất cao: không chỉ TĐH các quá trình vật lý mà cả các quá trình xử lý thông tin. Vì vậy, TĐH trong công nghiệp tích hợp công nghệ sản xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động trong đó có TĐH nhờ máy tính. Hiện nay, trong công nghiệp tồn tại 3 dạng TĐH: - TĐH cứng (Fixed Automation) được hình thành dưới dạng các thiết bị hoặc dây chuyền chuyên môn hoá theo đối tượng (sản phẩm). Nó được ứng dụng có hiệu quả trong điều kiện sản xuất hàng khối với sản lượng rất lớn các sản phẩm cùng loại. - TĐH khả trình (Proqrammable Automation) được ứng dụng chủ yếu trong sản xuất loạt nhỏ, loạt vừa, đáp ứng phần lớn nhu cầu sản phẩm công nghiệp. Hệ thống thiết bị dạng này là các thiết bị vạn năng điều khiển số, cho phép dễ dàng lập trình lại để có thể thay đổi chủng loại (tức là thay đổi quy trình công nghệ sản xuất) sản phẩm. - TĐH linh hoạt (Flexible Automation) là dạng phát triển của TĐH khả trình. Nó tích hợp công nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển bằng máy tính, cho phép thay đổi đối tượng sản xuất mà không cần (hoặc hạn chế) sự can thiệp của con người. TĐH linh hoạt được biểu hiện dưới 2 dạng: tế bào sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing Cell - FMC) và hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing System - FMS). RBCN có 2 đặc trưng cơ bản: 6 - Là thiết bị vạn năng, được TĐH theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau. - Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng, như vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường,... Vì thể hiện 2 đặc trưng cơ bản trên của RBCN, hiện nay định nghĩa sau đây về robot công nghiệp do Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất được sử dụng rộng rãi: RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác. Ngoài các ý trên, định nghĩa trong ГOCT 25686-85 còn bổ sung cho RBCN chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất: RBCN là máy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Chức năng vận động bao gồm các hoạt động "cơ bắp" như vận chuyển, định hướng, xếp đặt, gá kẹp, lắp ráp,... đối tượng. Chức năng điều khiển ám chỉ vai trò của robot như một phương tiện điều hành sản xuất, như cung cấp dụng cụ và vật liệu, phân loại và phân phối sản phẩm, duy trì nhịp sản xuất và thậm chí cả điều khiển các thiết bị liên quan. Với đặc điểm có thể lập trình lại, RBCN là thiết bị TĐH khả trình và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các tế bào hoặc hệ thống sản xuất linh hoạt. 1.2. Cấu trúc cơ bản của RBCN 1.2.1. Kết cấu chung Một RBCN được cấu thành bởi các hệ thống sau (hình 1.1): - Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. 7 Hình 1.1: Sơ đồ khối của RBCN - Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. - Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường. - Hệ thống điều khiển (Controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot. Sơ đồ kết cấu chung của robot như trong hình 1.2. 8 Hình 1.2: Sơ đồ kết cấu chung của RBCN 1.2.2. Kết cấu của tay máy Tay máy là phẩn cơ sở, quyết định khả năng làm việc của RBCN. Đó là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc, như nâng hạ vật, lắp ráp,... Ý tưởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo tay máy là phỏng tác cấu tạo và chức năng của tay người (hình 1.3). Về sau, đây không còn là điều bắt buộc nữa. Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại có dáng vẻ khác rất xa với tay người. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot người ta vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc, như vai (Shoulder), cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hund) và các khớp (Articulations),... để chỉ tay máy và các bộ phận của nó. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh hướng lớn đến khả năng làm việc của chúng, như: - Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay,... - Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công tác có thể với tới; 9 - Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làm việc. Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác. Hình 1.3: Sự tương tác giữa tay người và tay máy Để định vị và định hướng phần công tác một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều nó cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị, 3 bậc tự do để định hướng. Một số công việc như nâng hạ, xếp dỡ,... yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6. Robot hàn, sơn thường có 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc cần tối ưu hoá quỹ đạo,... người ta có thể dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6. Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu, được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến phần công tác. Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay. Tuỳ theo số lượng và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra tay máy kiểu tọa độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA và kiểu tay người (Anthropomorphic). Tay máy kiểu tọa độ đề các (hình 1.4), còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp trượt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với 3 trục toạ độ. Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật. Do sự đơn giản về kết cấu, tay máy kiểu này có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít khéo léo. Vì vậy, tay máy kiểu đề các được dùng để vận chuyển và lắp ráp. Tay máy kiểu tọa độ trụ (hình 1.5) khác với tay máy kiểu đề các ở khớp đầu tiên: dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. 10 Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy "thò" được vào khoang rỗng nằm ngang. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng. Tay máy kiểu tọa độ cầu (hình 1.6) khác kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong toạ độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn 2 loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên, loại này có thể "nhặt" được cả vật dưới nền. SCARA (hình 1.7) được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại Trường đại học Yamanashi (Nhật bản) dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một kiêu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt, nhưng cả 3 khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững (Compliance) theo phương được chọn (Selective), là phương ngang. Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp (Assembly) với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của "Selective Compliance Assembly Robot Arm" để mô tả các đặc điểm trên. Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng, như trong hình 1.7. Tay máy kiểu tay người (Anthropomorphic), như được mô tả trong hình 1.8, có cả 3 khớp đều là các khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với 2 trục kia. Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulder joint), khớp thứ ba là khớp khuỷu (Elbow joint), nối cẳng tay với khuỷu tay. Với kết cấu này, không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo, nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu. Toàn bộ dạng các kết cấu tả ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác. Muốn định hướng nó, cần bổ sung phần cổ tay. Muốn định hướng một cách tuỳ ý phần công